[发明专利]利用混合菌种对淀粉质原料进行发酵制取氢气的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质能源生产技术领域，具体涉及一种利用混合菌种对淀粉质原料进行两步法发酵制取氢气的方法。

背景技术

化石燃料的使用会导致全球变暖，从而对环境造成巨大影响，而氢气以其清洁、高能量和可循环利用的特点，被普遍认为是化石燃料的理想替代能源。目前，利用生物质原料发酵生产氢气正在吸引越来越多的关注。这是因为生物质发酵不但可以提供清洁的氢能源，同时还可以消除生物质有机废弃物对环境造成的污染。其反应条件温和、能量需求小，具有无可替代的优势。

在生物质发酵产氢领域，昂贵的原料成本和低下的产氢率是制约生物制氢发展和应用的主要因素。而淀粉质原料是一种廉价易得的生物质，在全球范围内均广泛存在。富含淀粉的生物质主要有大米、玉米、小麦等粮食作物，以及马铃薯、山药、薯类等根茎类作物。例如在全世界热带地区广泛种植的木薯(ManihotesculentaCrant)，其主要含有水分(60-70％)、淀粉(15-20％)和游离糖(4-6％)。木薯能在贫瘠和干旱的土地生长，不与粮食作物竞争种植地且产量很高，因而被认为是理想的能源作物。据联合国粮食农业组织(FAO)统计，目前全球木薯年产量约为2.5亿吨，产值约为1000亿美元，其中一半以上分布在非洲地区。尼日利亚是全球最大的木薯生产国，年产量达4500万吨，产值约为180亿美元，占非洲地区总产量的三分之一。亚洲地区鼓励将木薯应用于工业与新能源方面，该地区产量约占全球的三分之一，其中泰国产量2500万吨，80％用于出口，出口额约为80亿美元。印度尼西亚产量约为2200万吨左右。中国木薯年产量在800～900万吨。目前，木薯主要被应用于化工和纺织领域，少部分被用来制取燃料乙醇。将木薯用于生物发酵制取氢气(H₂)，将为解决能源问题做出重大贡献。

就产氢率而言，传统的利用生物质的暗发酵产氢由于能源转化效率低，产氢率很低；并且，发酵残余液中含有大量有机酸和醇类等副产物，既浪费了能量又污染了环境。例如，CN102041274A公开了一种利用专性厌氧的丁酸梭菌发酵制氢的方法，应用筛选出的专性厌氧菌丁酸梭菌JCM1391，在无菌厌氧条件下，以蛋白胨、牛肉膏、酵母提取物、Na₂HPO₄、L-半胱氨酸、L-半胱氨酸盐酸盐一水、刃天青指示剂和蒸馏水组成的混合物为培养基，以葡萄糖为发酵底物，采用分批发酵的方式进行制取氢气。CN101988075A公开了一种利用专性厌氧的巴氏梭菌发酵制氢的方法，在无菌厌氧条件下，利用厌氧菌巴氏梭菌JCM1408T，以蛋白胨、牛肉膏、酵母提取物等营养物和蒸馏水组成的混合物为培养基，以葡萄糖为发酵底物，采用分批发酵和连续发酵的方式进行制取氢气。CN102373238A公开了一种嗜热芽孢杆菌及其在发酵产氢中的应用，利用筛选出的嗜热芽孢杆菌菌株对污泥进行水解预处理，再利用水解后的污泥/或有机废弃物发酵产氢。上述方法均使用单一菌种，培养和产氢条件苛刻。并且，上述方法的产氢效率易受发酵参数影响，产氢效率不高。CN103290090A构建了一种梭菌、肠杆菌、酵母菌混合菌群生物制氢方法。该方法的产氢效率略有提高，但由于单纯暗发酵制氢的理论产率最高只有4mol/mol六碳糖，所以仅仅使用暗发酵一种发酵方式，产氢效率不可能获得突破性提高。

为提高产氢率和能量利用率，非专利文献1以木薯淀粉为底物，以牛粪堆肥混合菌种作为暗发酵混合菌种，以类球红细菌(Rhodobactersphaeroides)作为光发酵菌种进行暗-光耦合发酵产氢，然而，该研究在光合发酵时使用单一菌种，对营养条件、生长环境和工艺参数的调控要求很高，上述工艺参数的微小改变均会影响产氢效果。此外，该研究的工作体积只有30-40mL，与小试、中试研究和实际生产相差太远，难以将该制氢工艺直接放大放大或进行工业化应用。

可见，如何将生物制氢的理念实用化，开发稳健(rubustness)、产氢率、产氢速率、底物利用率和能量转化效率高的方法，仍是亟待解决的技术问题。

[非专利文献1]暗—光藕联两步法生物制氢及相关技术的研究，宗文明，2009年安徽农业大学博士论文。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用混合菌种对淀粉质原料进行两步法发酵制取氢气的方法，所述方法包含如下步骤：

(1)液化：向作为发酵底物的淀粉质原料溶液中加入α-淀粉酶进行液化；

(2)糖化：向经步骤(1)液化后的溶液中加入糖化酶进行糖化，糖化后将所述糖化酶灭活；